E se potessi far funzionare il tuo condizionatore d'aria non con l'elettricità convenzionale, ma con il calore del sole durante una calda giornata estiva? Con i progressi della tecnologia termoelettrica, questa soluzione sostenibile potrebbe un giorno diventare realtà.

I dispositivi termoelettrici sono realizzati con materiali in grado di convertire una differenza di temperatura in elettricità, senza richiedere parti mobili, una qualità che rende i termoelettrici una fonte di elettricità potenzialmente attraente. Il fenomeno è reversibile:se si applica elettricità a un dispositivo termoelettrico, può produrre una differenza di temperatura. Oggi, i dispositivi termoelettrici sono utilizzati per applicazioni a potenza relativamente bassa, come l'alimentazione di piccoli sensori lungo gli oleodotti, backup delle batterie sulle sonde spaziali, e mini-frigoriferi di raffreddamento.

Ma gli scienziati sperano di progettare dispositivi termoelettrici più potenti che raccolgano calore, prodotto come sottoprodotto di processi industriali e motori a combustione, e trasformino quel calore altrimenti sprecato in elettricità. Però, l'efficienza dei dispositivi termoelettrici, o la quantità di energia che sono in grado di produrre, è attualmente limitato.

Ora i ricercatori del MIT hanno scoperto un modo per triplicare tale efficienza, utilizzando materiali "topologici", che hanno proprietà elettroniche uniche. Mentre il lavoro passato ha suggerito che i materiali topologici possono fungere da sistemi termoelettrici efficienti, c'è stata poca comprensione di come gli elettroni in tali materiali topologici viaggeranno in risposta alle differenze di temperatura per produrre un effetto termoelettrico.

In un articolo pubblicato questa settimana su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori del MIT identificano la proprietà sottostante che rende alcuni materiali topologici un materiale termoelettrico potenzialmente più efficiente, rispetto ai dispositivi esistenti.

"Abbiamo scoperto che possiamo spingere i confini di questo materiale nanostrutturato in un modo che rende i materiali topologici un buon materiale termoelettrico, più dei semiconduttori convenzionali come il silicio, "dice Te-Huan Liu, un postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Alla fine, questo potrebbe essere un modo di energia pulita per aiutarci a utilizzare una fonte di calore per generare elettricità, che ridurrà il nostro rilascio di anidride carbonica".

Liu è il primo autore del PNAS carta, che include studenti laureati Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, e Qichen Song; Mingda Li, ricercatore presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari; ex studente laureato Bolin Liao, ora assistente professore all'Università della California a Santa Barbara; Liang Fu, il Professore Associato di Fisica Biedenharn; e Gang Chen, il Professor Soderberg e capo del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.

Una strada percorsa liberamente

Quando un materiale termoelettrico è esposto a un gradiente di temperatura, ad esempio, un'estremità è riscaldata, mentre l'altro è raffreddato:gli elettroni in quel materiale iniziano a fluire dall'estremità calda all'estremità fredda, generando una corrente elettrica. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la corrente elettrica prodotta, e più potenza viene generata. La quantità di energia che può essere generata dipende dalle particolari proprietà di trasporto degli elettroni in un dato materiale.

Gli scienziati hanno osservato che alcuni materiali topologici possono essere trasformati in efficienti dispositivi termoelettrici attraverso la nanostrutturazione, una tecnica utilizzata dagli scienziati per sintetizzare un materiale modellandone le caratteristiche su scala nanometrica. Gli scienziati hanno pensato che il vantaggio termoelettrico dei materiali topologici derivi da una ridotta conduttività termica nelle loro nanostrutture. Ma non è chiaro come questo miglioramento dell'efficienza si colleghi con l'intrinseco del materiale, proprietà topologiche.

Per provare a rispondere a questa domanda, Liu e i suoi colleghi hanno studiato le prestazioni termoelettriche del tellururo di stagno, un materiale topologico noto per essere un buon materiale termoelettrico. Gli elettroni nel tellururo di stagno mostrano anche proprietà peculiari che imitano una classe di materiali topologici noti come materiali Dirac.

Il team mirava a comprendere l'effetto della nanostrutturazione sulle prestazioni termoelettriche del tellururo di stagno, simulando il modo in cui gli elettroni viaggiano attraverso il materiale. Per caratterizzare il trasporto di elettroni, gli scienziati usano spesso una misura chiamata "percorso libero medio, " o la distanza media che un elettrone con una data energia percorrerebbe liberamente all'interno di un materiale prima di essere disperso da vari oggetti o difetti in quel materiale.

I materiali nanostrutturati ricordano un patchwork di minuscoli cristalli, ciascuno con i bordi, noti come bordi di grano, che separano un cristallo dall'altro. Quando gli elettroni incontrano questi confini, tendono a disperdersi in vari modi. Gli elettroni con cammini liberi medi lunghi si disperdono fortemente, come proiettili che rimbalzano su un muro, mentre gli elettroni con cammini liberi medi più brevi sono molto meno colpiti.

Nelle loro simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che le caratteristiche degli elettroni del tellururo di stagno hanno un impatto significativo sui loro percorsi liberi medi. Hanno tracciato la gamma di energie degli elettroni del tellururo di stagno rispetto ai percorsi liberi medi associati, e ho scoperto che il grafico risultante sembrava molto diverso da quelli della maggior parte dei semiconduttori convenzionali. Nello specifico, per tellururo di stagno ed eventualmente altri materiali topologici, i risultati suggeriscono che gli elettroni con energia maggiore hanno un percorso libero medio più breve, mentre gli elettroni a energia inferiore di solito possiedono un percorso libero medio più lungo.

Il team ha quindi esaminato come queste proprietà degli elettroni influenzino le prestazioni termoelettriche del tellururo di stagno, sommando essenzialmente i contributi termoelettrici di elettroni con diverse energie e cammini liberi medi. Si scopre che la capacità del materiale di condurre elettricità, o generare un flusso di elettroni, sotto un gradiente di temperatura, dipende in gran parte dall'energia dell'elettrone.

Nello specifico, hanno scoperto che gli elettroni a energia inferiore tendono ad avere un impatto negativo sulla generazione di una differenza di tensione, e quindi corrente elettrica. Questi elettroni a bassa energia hanno anche percorsi liberi medi più lunghi, il che significa che possono essere dispersi dai bordi dei grani più intensamente degli elettroni di energia più elevata.

Tagliando giù

Facendo un passo avanti nelle loro simulazioni, il team ha giocato con le dimensioni dei singoli grani di tellururo di stagno per vedere se questo aveva qualche effetto sul flusso di elettroni sotto un gradiente di temperatura. Hanno scoperto che quando hanno ridotto il diametro di un grano medio a circa 10 nanometri, avvicinando i suoi confini, hanno osservato un aumento del contributo degli elettroni a energia più elevata.

Questo è, con granulometrie più piccole, gli elettroni a energia più elevata contribuiscono molto di più alla conduzione elettrica del materiale rispetto agli elettroni a energia inferiore, poiché hanno percorsi liberi medi più brevi e hanno meno probabilità di disperdersi contro i bordi dei grani. Ciò si traduce in una maggiore differenza di tensione che può essere generata.

Cosa c'è di più, i ricercatori hanno scoperto che la riduzione della dimensione media dei grani del tellururo di stagno a circa 10 nanometri ha prodotto tre volte la quantità di elettricità che il materiale avrebbe prodotto con grani più grandi.

Liu afferma che mentre i risultati sono basati su simulazioni, i ricercatori possono ottenere prestazioni simili sintetizzando tellururo di stagno e altri materiali topologici, e regolando la loro dimensione dei grani utilizzando una tecnica di nanostrutturazione. Altri ricercatori hanno suggerito che il restringimento della granulometria di un materiale potrebbe aumentare le sue prestazioni termoelettriche, ma Liu dice che hanno per lo più supposto che la dimensione ideale sarebbe molto più grande di 10 nanometri.

"Nelle nostre simulazioni, abbiamo scoperto che possiamo ridurre la granulometria di un materiale topologico molto più di quanto si pensasse in precedenza, e sulla base di questo concetto, possiamo aumentarne l'efficienza, " dice Liù.

Il tellururo di stagno è solo un esempio di molti materiali topologici che devono ancora essere esplorati. Se i ricercatori possono determinare la granulometria ideale per ciascuno di questi materiali, Liu afferma che i materiali topologici potrebbero presto essere praticabili, alternativa più efficiente alla produzione di energia pulita.

"Penso che i materiali topologici siano molto buoni per i materiali termoelettrici, e i nostri risultati mostrano che questo è un materiale molto promettente per applicazioni future, " dice Liù.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.